混凝土礦物外加劑

砼礦物外加劑

——軌道交通質(zhì)量培訓(xùn)班2023/7/132教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求（了解）混凝土礦物外加劑的定義和主要功能。（掌握）粉煤灰、?；郀t礦渣粉、硅灰的技術(shù)性能、作用機(jī)理和對(duì)混凝土性能的影響。（理解）復(fù)合礦物外加劑的含義和主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)。思考題

1.硅灰為何對(duì)摻量控制較嚴(yán)？

2.各種礦物外加劑復(fù)合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是什么？

3.粉煤灰在混凝土中的改性機(jī)理是什么？2023/7/133定義

又稱為摻合料、混合材、火山灰材料，輔助膠凝材料等。代號(hào)MA，但具體礦物外加劑又有不同的代號(hào)。具有一定細(xì)度和活性，用于改善新拌砼及硬化砼性能的粉體材料，在砼中摻量一般大于5%。在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮體積或質(zhì)量的變化。粒徑＜10μm的稱為超細(xì)粉。當(dāng)前廣泛使用的有磨細(xì)礦渣、磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)天然沸石、硅灰及其復(fù)合物。進(jìn)入80年代以后，礦物外加劑的研究與應(yīng)用已逐漸由原來(lái)的單摻過(guò)渡為復(fù)摻，由原來(lái)的直接利用發(fā)展到經(jīng)過(guò)加工，處理后使用。礦物外加劑按一定比例復(fù)合，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互補(bǔ)充，更好的發(fā)揮其效能。2023/7/134改性作用新拌砼改善砼和易性（黏聚性和保水性），降低砼水化溫升，推遲溫峰出現(xiàn)的時(shí)間硬化的砼改善砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗腐蝕能力，抑制堿-骨料反應(yīng)，從而能增進(jìn)砼后期強(qiáng)度，提高砼的耐久性是高強(qiáng)高性能砼的生產(chǎn)組成材料之一，也是提高砼耐久性的重要措施20世紀(jì)60年代高效減水劑的發(fā)明與應(yīng)用，使砼技術(shù)進(jìn)入了高強(qiáng)度與高流態(tài)的新領(lǐng)域；20世紀(jì)90年代的粉體工程的研發(fā)，使砼進(jìn)一步進(jìn)入了高性能時(shí)代2023/7/135礦物外加劑改性機(jī)理占水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%左右的水泥熟料礦物C3S、C2S在水化時(shí)，形成C/S（鈣硅比）≥1.5的高堿性水化產(chǎn)物C-S-H（I）（C/S首先為1.5，最終為1.6～2.0），以及CH：2C3S+6H→3C3S2H3+3CH2C2S+4H→3C3S2H3+CH礦物外加劑的比表面積大，其中含有的活性SiO2與水泥高堿性C-S-H凝膠和CH等水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，即所謂的火山灰效應(yīng)，生成更多的水化硅酸鈣，且降低水化火山灰活性效應(yīng)2023/7/136硅酸鈣中的鈣硅比，使高堿性的C-S-H凝膠轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度更高、耐久性更優(yōu)的低堿性C-S-H凝膠，成為膠凝材料的一部分。(0.8～1.5)Ca(OH)2+SiO2+{n-(0.8～1.5)}H2O→(0.8～1.5)CaO·SiO2·nH2O(1.5～2.0)CaO·SiO2·nH2O+xSiO2＋yH2O→(0.8～1.5)CaO·SiO2·mH2O二次水化反應(yīng)遲于水泥熟料，反應(yīng)產(chǎn)物填充于水泥水化產(chǎn)物的孔隙中，使水泥石的孔隙率減小、孔隙細(xì)化、密實(shí)度增加、強(qiáng)度提高。2023/7/137礦物外加材料不同時(shí)水泥石中C/S

的不同降低程度水泥石中的C/S(水泥漿W/C＝0.5，20℃水中養(yǎng)護(hù)28d)，法國(guó)試驗(yàn)結(jié)果1.法國(guó)規(guī)格的混合水泥，可摻入35％以下的礦渣、火山灰質(zhì)礦物材料或石灰粉。2023/7/138微骨料填充效應(yīng)

砼結(jié)構(gòu)為堆聚結(jié)構(gòu)——粗集料堆聚的空隙由細(xì)集料填充，細(xì)集料空隙由水泥顆粒填充，水泥顆?？障犊捎酶?xì)的顆粒填充。礦物外加劑中的較粗顆?？纱嫠嗵畛浼?xì)集料空隙，較細(xì)集料（如＜10μm的，可以填充水泥的空隙。采用適當(dāng)?shù)谋壤?，可使膠凝材料空隙率達(dá)到最小，從而使整個(gè)砼形成緊密的堆聚結(jié)構(gòu)體系。

例：硅酸鹽水泥粒子為10.4μm，如以10.09μm的粉煤灰粒子相復(fù)合，無(wú)論以何種比例組合，膠凝材料空隙率幾乎無(wú)變化；但當(dāng)粉煤灰粒子降至0.95μm時(shí)，以水泥70%與粉煤灰30%復(fù)合，膠凝材料空隙率由原來(lái)40%降至15%左右。粉煤灰、礦渣粉、硅粉都有相類(lèi)同的例子。超細(xì)粉︰水泥＝30︰70時(shí)，對(duì)降低膠凝材料空隙率效果較好。2023/7/139增塑效應(yīng)大部分礦物外加劑具有顆粒比水泥更細(xì)，能填充水泥顆粒間的孔隙，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，故有效改善砼的黏聚性和保水性。其中礦粉在摻量適當(dāng)時(shí)，還能提高砼的流動(dòng)性。粉煤灰含大量的球狀玻璃微珠，在砼拌合物中起一定的“滾珠”作用，這種“形態(tài)效應(yīng)”使優(yōu)質(zhì)粉煤灰的需水量比小于100%。部分礦物外加劑能有效降低砼的黏性和內(nèi)聚力，改善砼的可泵性、振搗密實(shí)性及抹平性能。如粉煤灰在同樣流動(dòng)性時(shí)摻粉煤灰的砼比不摻的內(nèi)摩擦阻力減小，更容易泵送施工和振搗密實(shí)。2023/7/1310改善水泥石孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)證明——摻有礦物細(xì)摻料的水泥石，隨著水化齡期的發(fā)展，孔結(jié)構(gòu)得到改善（有害大孔減少，無(wú)害或少害的小孔或微孔增多）。

原因：較細(xì)的礦物外加劑填充到水泥顆粒間空隙中，砼的密實(shí)度大大提高；二次反應(yīng)物C-S-H凝膠可沉積在超細(xì)粉末巨大的表面上并深入到細(xì)小空隙中，水泥石的孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布發(fā)生了較大變化。2023/7/1311摻用火山灰的水泥漿體的孔級(jí)配隨齡期的變化MethaP.K所測(cè)。結(jié)果表明，隨著火山灰摻量和齡期的增加，水泥漿體中＜100nm的小孔增多；摻量＞20%時(shí)，養(yǎng)護(hù)1年后的水泥漿體中＞100nm的孔已不存在。2023/7/1312改善漿-集界面結(jié)構(gòu)

從微觀尺度上看，水泥石集料的界面不是“面”，是有一定厚度的“層”（或稱“區(qū)”、“帶”）。這個(gè)“層”的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與水泥石本體區(qū)別較大，在厚度方向從集料表面向水泥石逐漸過(guò)渡，因此被稱為“過(guò)渡層”。在水泥石中，Ca(OH)2占20%左右，具有可溶性。在硬化砼中Ca(OH)2分布極不均勻，從界面，如骨料與水泥石之間的界面，纖維與砼基材界面等看，界面過(guò)渡區(qū)在一定區(qū)域內(nèi)，Ca(OH)2富集及定向排列，與其他部分的水泥石相比是一種多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，故而是砼中最薄弱的區(qū)域，也是受力時(shí)應(yīng)力最集中的區(qū)域。礦物外加劑由于填充作用，使界面空隙尺寸變小，密實(shí)度提高，同時(shí)由于Ca(OH)2被大量消耗，減弱了定向排列，使?jié){－集界面過(guò)渡區(qū)變薄，難以形成大孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因而界面結(jié)構(gòu)得到改善。2023/7/1313大摻量粉煤灰砼中漿體與集料界面的SEM形貌圖

（a）硅酸鹽砼（×1000）（b）大摻量粉煤灰砼

（50%粉煤灰摻量，水膠比0.22）（×1000）

結(jié)果表明：在硅酸鹽砼中，其水化產(chǎn)物為晶形完好，纖維狀，絮團(tuán)狀及網(wǎng)絡(luò)狀的C-S-H凝膠體、板狀Ca(OH)2和針狀A(yù)Ft相含量較多，而摻粉煤灰的砼中界面相沒(méi)有結(jié)晶較好的晶體，大量為絮團(tuán)狀或纖維狀的致密的C-S-H凝膠，以及完好的粉煤灰顆粒。2023/7/1314降低水泥水化熱

活性較低的礦物外加劑（粉煤灰、石灰石粉、沸石粉），顯著降低溫升。原因：由于它們的摻入，在保持膠結(jié)材料總量不變的條件下，降低了水泥用量，故水泥的水化放熱降低。摻量愈大，降低愈多?；钚暂^高的礦物外加劑（硅灰），降低溫升不明顯。2023/7/1315不同礦物外加劑對(duì)水泥漿體水化熱的影響

結(jié)果表明，粉煤灰（FA）比礦渣（SL）、硅灰（SF）降低溫升作用顯著。2023/7/1316是水淬高爐礦渣磨細(xì)得到的礦物外加劑，也叫磨細(xì)礦渣，代號(hào)S。水淬高爐礦渣是煉鐵高爐排出的熔渣，經(jīng)水淬而成的粒狀礦渣，也稱為粒化高爐礦渣。由?；郀t礦渣經(jīng)干燥、粉磨等工藝達(dá)到規(guī)定細(xì)度的產(chǎn)品即為磨細(xì)礦渣。粉磨時(shí)可加適量石膏和水泥粉磨用工藝外加劑。礦渣微粉2023/7/1317高爐礦渣煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣。隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，礦渣年產(chǎn)量很大，2000-2010年，年排放量達(dá)0.8-1.1億·噸/年，如能全部利用，將為建材行業(yè)提供豐富的、可利用的資源。同時(shí)，對(duì)于改善環(huán)境，減少二次污染亦具有重要意義。我國(guó)在20世紀(jì)80年代以前，礦渣主要用于水泥生產(chǎn)。但礦渣易磨性較差，當(dāng)與水泥熟料一起粉磨時(shí)，礦渣往往較粗，比表面積只能達(dá)到250m2/kg，活性很難發(fā)揮；若將礦渣磨細(xì)到45μm以下，水泥熟料就會(huì)超細(xì)磨，使水泥快凝，收縮增大，綜合性能下降。20世紀(jì)80年代以后，開(kāi)始研究將礦渣單獨(dú)粉磨，并應(yīng)用于砼。2023/7/1318高爐礦渣的生產(chǎn)礦渣是高爐煉鐵過(guò)程中的副產(chǎn)品。生產(chǎn)1t生鐵，需要1.5～1.6t鐵礦石，0.4～0.5t焦碳，0.2～0.3t石灰石。三種原料裝入高爐，鼓入熱風(fēng)，焦炭燃燒，放出熱量及還原性氣體，把鐵礦石還原、熔化、變成生鐵液。鐵礦石中的雜質(zhì)和焦炭中的灰份等與石灰石在高爐內(nèi)生成高爐渣。高爐渣密度小，浮于鐵液表面，排放出爐，經(jīng)水急冷，得水淬礦渣。大約1t生鐵同時(shí)產(chǎn)生0.3t渣。2023/7/1319高爐礦渣的化學(xué)成分

主要是CaO、SiO2、Al2O3和MgO、FeO等氧化物以及一些硫化物（CaS和MnS、FeS等）。個(gè)別情況下，還可能含有TiO2、P2O5等。在一般礦渣中，CaO、SiO2和Al2O3的成分總是主要的，通常都占總數(shù)的90%以上。與硅酸鹽水泥熟料相比較，CaO含量較低，而SiO2含量偏高。2023/7/1320礦物外加劑在CaO-SiO2-Al2O3系統(tǒng)中位置的示意圖2023/7/1321礦渣的結(jié)構(gòu)與活性

?；V渣顆粒掃描電鏡照片（放大2100倍）2023/7/1322礦渣活性化學(xué)成分內(nèi)部結(jié)構(gòu)（更大程度）SiO2含量高硬礦渣（堅(jiān)硬，塊狀結(jié)晶體，活性極?。┝；V渣（玻璃體結(jié)構(gòu)為主，活性大）冷卻越迅速充分熱融狀態(tài)急速冷卻熔融狀態(tài)慢冷壓縮空氣水流（最普遍）蒸汽水渣或水淬渣熱熔礦渣送入水池，或用水流沖擊，礦渣與水激烈混合，急冷成粒熔渣2023/7/1323水淬?；V渣的結(jié)構(gòu)與活性玻璃體（為主）晶相（玻璃體中明顯包裹存在）鈣長(zhǎng)石CAS2硅酸一鈣CS鋁方柱石（鈣黃長(zhǎng)石）C2AS硅酸二鈣C2S唯一具有膠凝性的結(jié)晶礦物在水淬處理急冷過(guò)程中，液相粘度很快加大，晶核來(lái)不及形成，且晶體的成長(zhǎng)受到阻礙，質(zhì)點(diǎn)不是非常嚴(yán)格的按一定次序排列，因而形成玻璃體結(jié)構(gòu)處于不均衡和熱力學(xué)不穩(wěn)定的狀態(tài)，故具有較多的活性

我國(guó)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的粒化礦渣，玻璃體含量一般都在85%以上

——礦渣活性雖與晶體的種類(lèi)和數(shù)量有關(guān)，但最主要取決于玻璃體的數(shù)量和性能。2023/7/1324礦渣微粉的生產(chǎn)技術(shù)

生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)

選擇合適的超細(xì)粉磨機(jī)械和工藝?，F(xiàn)代粉磨技術(shù)根據(jù)產(chǎn)品粒度界限分為普通粉磨、高細(xì)粉磨和超細(xì)粉磨。2023/7/13252023/7/1326粉磨加工分類(lèi)類(lèi)別D80粒徑（μm）比表面積（m2/kg）普通粉磨＜80250～350高細(xì)粉磨＜50350～600超細(xì)粉磨＜10600～800在非金屬礦中，一般將10μm以下的粒徑粉體稱為超細(xì)粉磨摻合料粉磨一般介于二者之間在水泥生產(chǎn)中，水泥顆粒屬普通粉磨，一般有90%的粒徑＜80μm

——采用高細(xì)粉磨，可以滿足砼生產(chǎn)的要求2023/7/1327高細(xì)粉磨的作用對(duì)摻合料原料進(jìn)行高細(xì)粉磨，擴(kuò)大了水化反應(yīng)的比表面積，可大幅度提高其水化速度，使在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較高強(qiáng)度日本學(xué)者用礦渣粉取代50%水泥，用其膠砂強(qiáng)度與硅酸鹽水泥膠砂強(qiáng)度的強(qiáng)度百分率來(lái)表示礦渣的活性試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)V渣粉的比表面積達(dá)到600m2/kg時(shí)，其28d的抗壓強(qiáng)度已超過(guò)了硅酸鹽水泥強(qiáng)度2023/7/1328礦渣微粉的質(zhì)量指標(biāo)

《高強(qiáng)高性能砼礦物外加劑》（GB/T18736－2002）

注：粉煤灰的需水量比——指水泥︰粉煤灰＝70︰30的水泥粉煤灰砂漿與

純水泥砂漿在達(dá)到相同流動(dòng)度時(shí)需水量之比。

2023/7/1329各指標(biāo)對(duì)砼性能影響分析

細(xì)度細(xì)度與礦物外加劑活性相關(guān)性較好。細(xì)度分別由比表面積、平均粒徑或篩余量表示。需水量需水量越大，拌制相同稠度的漿體需水越多,對(duì)礦物外加劑在砼中的強(qiáng)度貢獻(xiàn)及砼耐久性有很大影響。一般用需水量比或流動(dòng)性比來(lái)表示。燒失量表示礦物外加劑中未燃盡碳粉的數(shù)量。碳粉的比表面積較大，當(dāng)含量較高時(shí)，將增加砼需水量及引氣劑劑量。故需做出限制。含水量含量較高，不便于運(yùn)輸及貯存，且活性要降低。三氧化硫含量過(guò)高，除安定性外還可能影響砼的凝結(jié)時(shí)間及硬化速度。氧化鎂對(duì)氧化鎂的規(guī)定是基于這樣的理由，即在蒸壓條件下可能導(dǎo)致膨脹開(kāi)裂?；钚灾笖?shù)主要反映對(duì)砼強(qiáng)度的影響程度。2023/7/1330礦渣微粉對(duì)砼的改性作用礦渣磨至超細(xì)粉取代砼中部分水泥后，使得砼流動(dòng)性提高，早期強(qiáng)度可與硅酸鹽水泥砼相當(dāng)，但后期強(qiáng)度高，耐久性好。超細(xì)礦渣對(duì)砼耐久性的貢獻(xiàn)表現(xiàn)在優(yōu)異的抗氯離子滲透性和抗化學(xué)侵蝕性，良好的抗凍性和抗?jié)B性。所以，超細(xì)礦渣砼特別適用于海洋工程、地下工程及受到污染、需要抗侵蝕的砼結(jié)構(gòu)。2023/7/1331和易性以礦渣取代部分水泥配制砼：①等坍落度時(shí)，需水量比基準(zhǔn)砼的低；用水量不變時(shí)，可增加砼拌和物坍落度。②減小砼的坍落度損失，摻減水劑條件下的效果尤佳，原因是由于大摻量礦粉使水化過(guò)程大大推后，減少了水分的消耗；同時(shí)礦粉的比面大，對(duì)水的吸附能力強(qiáng)，泌水量小，水分蒸發(fā)速率下降。這一作用效應(yīng)，隨礦粉摻量增加而增強(qiáng)。③顯著降低砼的屈服應(yīng)力，使得初始屈服應(yīng)力相對(duì)較小，有利于泵送，且由于黏聚性改善，泵送時(shí)砼不易分層離析，方便施工。含氣量為了獲得所要求的含氣量，礦渣越細(xì)，取代率越大，所要求摻入的引氣劑量越大。凝結(jié)時(shí)間摻入磨細(xì)礦渣粉，延緩砼的凝結(jié)時(shí)間。摻量越大，礦粉比面越小，凝結(jié)時(shí)間推遲越多。泌水量比面大，摻量不多時(shí)，可減少泌水；但對(duì)比面小、摻量多的砼，泌水有所增加。對(duì)新拌砼性能的影響2023/7/1332對(duì)砼力學(xué)性能的影響在砼中摻入磨細(xì)礦渣，砼強(qiáng)度較之不摻的：礦渣細(xì)度較小（比面450～650m2/kg）時(shí)，抗壓早強(qiáng)（3d，7d）有所降低，且隨礦渣摻量的增加而降低；后強(qiáng)（28d）均有增加，增幅隨細(xì)度增加而增加。礦渣細(xì)度較大（比面650～871m2/kg）時(shí)，早強(qiáng)（3d，7d）有所提高，隨摻量增加其增長(zhǎng)率減?。缓髲?qiáng)（28d）均有增加，強(qiáng)度增幅隨細(xì)度增大而增加，但超過(guò)800m2/kg后開(kāi)始下降。2023/7/1333對(duì)砼耐久性的影響抗?jié)B性提高。當(dāng)?shù)V渣超細(xì)粉對(duì)水泥的取代率為20%時(shí)，為1/3；取代率為50%-70%時(shí)，為1/10。含礦渣超細(xì)粉的砼，總孔隙率降低，孔徑變小，不透水性能明顯提高?？孤入x子（Cl-）的滲透性砂漿或凈漿結(jié)合氯離子的能力提高許多，尤其是化學(xué)結(jié)合力。由于化學(xué)結(jié)合力比物理結(jié)合力穩(wěn)定得多，不易破壞，因此在砼中摻入磨細(xì)礦渣，砼抗氯離子侵蝕性更強(qiáng)。礦渣對(duì)Cl-具有初始固化作用，生成所謂的“Friedel”鹽；礦渣砼水化時(shí)能產(chǎn)生較多的C-S-H凝膠，而C-S-H凝膠會(huì)吸附一部分Cl-。這種物理吸附阻止Cl-向砼內(nèi)部滲透，因而礦渣對(duì)改善砼抗氯離子滲透方面具有優(yōu)異的功能。

抗氯離子滲透性：硅灰＞礦渣＞粉煤灰2023/7/1334抗凍性對(duì)水膠比0.25-0.55，礦渣超細(xì)粉比面（m2/kg）400、600、800，對(duì)水泥取代率（%）30、50、70的砼按ASTM-C300次凍融后，抗凍耐久性同基準(zhǔn)砼?？垢g性能在砼中摻入質(zhì)量好優(yōu)質(zhì)磨細(xì)礦渣，可使砼孔隙率下降，孔半徑減小，砼結(jié)構(gòu)及界面結(jié)構(gòu)得到改善。同時(shí)，礦渣的使用，減少了水泥用量，降低了C3A含量，加之二次水化作用，進(jìn)一步減少了Ca(OH)2的量，抗硫酸鹽和海水腐蝕能力大大提高，尤其是砼的耐硫酸鹽和海水侵蝕性能進(jìn)一步提高。國(guó)內(nèi)外研究和工程實(shí)踐表明，礦粉含量越高，其抗硫酸鹽的能力越強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于有防腐和抗硫酸鹽侵蝕要求的海洋工程和地下工程。2023/7/1335抗碳化性能砼摻入磨細(xì)礦渣，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2和礦渣反應(yīng)，使砼中堿性降低。故配合比相同時(shí)，含磨細(xì)礦渣的砼碳化速度稍快。礦渣對(duì)水泥的取代率增加，碳化深度增大，但水膠比對(duì)碳化的影響最大。抑制堿骨料反應(yīng)磨細(xì)礦粉對(duì)堿離子（K+、Na+）的物理吸附作用較強(qiáng)，且二次水化反應(yīng)使堿度降低，因此，當(dāng)摻量在40%以上，水泥漿中的堿含量在0.8%以下時(shí)，可有效抑制堿骨料反應(yīng)。礦渣貢獻(xiàn)給砼的堿量對(duì)AAR膨脹影響較小，即AAR膨脹的抑制主要取決于礦渣摻量的大小。當(dāng)原材料的某些指標(biāo)不利于控制AAR膨脹時(shí)，只有摻入足夠量的礦渣才能有效抑制AAR膨脹。2023/7/1336對(duì)砼收縮及開(kāi)裂的影響據(jù)有關(guān)研究成果，單方砼用水量相同，水膠比25%-55%，礦渣超細(xì)粉的比面（m2/kg）400、600、800，對(duì)水泥取代率在30%-50%的范圍內(nèi)，砼一年齡期的干縮值為7×10-4左右，和基準(zhǔn)砼大體相同。礦粉能一定程度上降低水化熱和砼水化溫升，并推遲溫峰出現(xiàn)時(shí)間，但與粉煤灰相比，降低作用較小。2023/7/1337粉煤灰

1935年美國(guó)學(xué)者R.E.戴維斯（Davis）首先進(jìn)行了粉煤灰砼的應(yīng)用研究，他是粉煤灰砼科技發(fā)展的先驅(qū)。1950年前后，美、英、德、前蘇聯(lián)、波蘭、日本、印度等國(guó)在水利工程中開(kāi)始應(yīng)用粉煤灰砼。20世紀(jì)80年代以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)粉煤灰的研究與應(yīng)用進(jìn)入新的發(fā)展階段。令人矚目的是以發(fā)展適用于砼的優(yōu)質(zhì)粉煤灰產(chǎn)品，用作砼的組分。我國(guó)在20世紀(jì)50年代初期，進(jìn)行研究及使用。尤其是20世紀(jì)70年代以后，粉煤灰在水泥和砼中的應(yīng)用得到極大發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭產(chǎn)量的70%用于火力發(fā)電，電廠每燒4t煤就產(chǎn)生1t粉煤灰。2000-2010年粉煤灰排放量高達(dá)1.5～2.6億t/年，但利用率不高，有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。2023/7/1338

粉煤灰的生產(chǎn)、化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)

粉煤灰的生產(chǎn)及顆粒形貌在火力發(fā)電廠，煤炭在鍋爐爐膛中燃燒，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋放出熱能，熱能由鍋爐受熱面吸收并傳遞給水，水加熱后成為蒸汽，蒸汽被送入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在煤燃燒產(chǎn)生熱量的過(guò)程中，隨煙氣從鍋爐尾部排出經(jīng)除塵器收集下來(lái)的固體顆粒即為粉煤灰，簡(jiǎn)稱灰或飛灰；顆粒較大或呈塊狀的，從爐膛底部收集出來(lái)的稱為爐底渣，簡(jiǎn)稱渣或大渣。我國(guó)粉煤灰多來(lái)自電廠，高鈣粉煤灰較少。低鈣粉煤灰來(lái)源較廣，是用量最大、使用范圍最廣的砼摻合料。2023/7/1339粉煤灰的分類(lèi)

收塵方法靜電收塵灰——顆粒細(xì)、質(zhì)量好機(jī)械收塵灰——顆粒粗、質(zhì)量差干排灰濕排灰——含水量大，活性降低較多，質(zhì)量不如干排灰

排放方式再加工形式（為改善粉煤灰品質(zhì)）磨細(xì)灰——干燥后經(jīng)粉磨達(dá)到規(guī)定細(xì)度的產(chǎn)品分選灰——采用風(fēng)選處理的原狀灰——未經(jīng)加工的粉煤灰煤的品質(zhì)（CaO含量）低鈣灰——由煙煤和無(wú)煙煤燃燒形成，呈灰色或深灰色。氧化鈣含量＜10%。一般具有火山灰活性。高鈣灰——由褐煤燃燒形成，呈褐黃色。氧化鈣，（CaO）含量＞10%。具有一定水硬性。2023/7/1340粉煤灰的礦物組成主要為鋁硅玻璃體，其顆粒呈實(shí)心或空心的微細(xì)球形顆粒，稱為實(shí)心微珠或空心微珠（漂珠）。其中實(shí)心微珠顆粒最細(xì)，表面光滑，是粉煤灰中需水量最小、活性最高的有效成分。粉煤灰中還含有多孔玻璃體、玻璃體碎塊、結(jié)晶體及未燃盡碳粒等。未燃盡碳粒顆粒較粗，會(huì)降低粉煤灰的活性，增大需水量，是有害成分。粉煤灰中含碳量可用燒失量（指在950～1000℃下，灼燒15～20min至恒重時(shí)的質(zhì)量損失）評(píng)定。多孔玻璃體等非球形顆粒，表面粗糙，粒徑較大，會(huì)增大需水量，含量多時(shí)會(huì)降低粉煤灰的品質(zhì)。2023/7/1341粉煤灰的顆粒形貌

由掃描電鏡觀察到，粉煤灰中小顆粒為表面光滑的球狀顆粒；較大粒徑的（＞250μm）形狀則不規(guī)則；有些含有未完全燃燒的物質(zhì)，有些為開(kāi)口球狀顆粒且內(nèi)含很多細(xì)小粉煤灰顆粒，有些細(xì)小粉煤灰顆粒附著在大的粉煤灰顆粒表面，相當(dāng)多非球形粉煤灰顆粒可能都是未燃碳粉顆粒。后圖是粉煤灰顆粒形貌的電鏡照片：高鈣粉煤灰的顆粒表面粘附有很多微粒，而低鈣粉煤灰的表面則顯得較光滑。2023/7/1342粉煤灰顆粒形貌掃描電鏡照片2023/7/1343粉煤灰的化學(xué)組成屬黏土類(lèi)火山灰質(zhì)材料，化學(xué)成分主要為SiO2和A12O3，其總量約在60%以上，是粉煤灰活性的來(lái)源。還含有少量的Fe2O3、CaO、MgO及SO3等。CaO含量較高時(shí)粉煤灰活性一般也較高；SO3是有害成分，含量應(yīng)限制?？蓮那皥D中看出粉煤灰與其它材料化學(xué)組成的不同。圖中顯示，粉煤灰在CaO-SiO2-Al2O3的三元系統(tǒng)中介于天然火山灰和高爐礦渣之間，低鈣粉煤灰與天然火山灰有一定重合，但SiO2的含量要低一些，而相對(duì)的CaO、Al2O3的含量則比天然火山灰要多；高鈣粉煤灰與高爐礦渣也可能有一定的重合，但CaO含量要比高爐礦渣低，而相應(yīng)粉煤灰SiO2含量要比高爐礦渣高一些。2023/7/1344粉煤灰的品質(zhì)提高途徑實(shí)際應(yīng)用中提高粉煤灰品質(zhì)的處理手段：第一類(lèi)——一些簡(jiǎn)便的手段，使粉煤灰處理后更易于貯存、使用，如脫水，混合，成球。第二類(lèi)——增加粉煤灰細(xì)度的一些處理手段，包括粉磨、篩分和空氣分類(lèi)。第三類(lèi)——根據(jù)粉煤灰顆粒密度對(duì)粉煤灰進(jìn)行分級(jí)的處理手段，如漂選和硫化床方法。第四類(lèi)——手段較先進(jìn)。如采用煅燒、靜電分離等去除粉煤灰中的碳粉，一方面分離的碳粉可再利用，而余下的粉煤灰因含碳量較低，質(zhì)量大為提高；又如磁性方法可去除粉煤灰中含碳量高的組分。2023/7/1345粉煤灰的質(zhì)量指標(biāo)

粉煤灰的物理性質(zhì)密度

各種顆粒密度差異很大，在400-4000kg/m3范圍內(nèi)變化，用密度瓶測(cè)定的是不同顆?；旌虾蟮钠骄芏?。顆粒密實(shí)度越高，粉煤灰的密度越大；氧化鈣、氧化鐵含量大的粉煤灰，密度越大。堆積密度

很大程度上與粉煤灰的顆粒級(jí)配有關(guān)，與粉煤灰的密度以及粉煤灰的顆粒形貌也有很大關(guān)系；且隨粉煤灰的含水率的增加而降低。細(xì)度粉煤灰的顆粒粒徑主要分布在0.5-300μm的范圍內(nèi)，其中玻璃微珠的粒徑范圍在0.5-100μm，大部分在45μm以上，平均粒徑在10-30μm；漂珠粒徑往往大于45μm；海綿狀顆粒粒徑（包括碳粒）范圍在10～300μm，大部分在45μm以上。不同電廠收集到的粉煤灰細(xì)度也有較大差異，通常二級(jí)電廠收集到的粉煤灰細(xì)度可以滿足Ⅱ級(jí)灰的要求。三級(jí)電廠的粉煤灰品質(zhì)更高，可作為高性能砼的礦物外加劑或特殊用途砼的礦物外加劑。粉煤灰細(xì)度與氧化鈣含量有關(guān)，高鈣粉煤灰通常比較細(xì)。需水量

影響需水量的主要因素為粉煤灰的細(xì)度、顆粒形貌，顆粒級(jí)配，此外還與粉煤灰的密度、燒失量高低有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，磨細(xì)灰比原狀灰有更小的需水量比；燒失量大，需水量大；高鈣粉煤灰比低鈣粉煤灰需水量小點(diǎn)。2023/7/1346粉煤灰品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和砼中的粉煤灰》（GB/T1596-2005）將用作摻合料的低鈣粉煤灰成品分為三個(gè)等級(jí)。GB/T18736－2002標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)用于高強(qiáng)高性能砼的磨細(xì)粉煤灰的技術(shù)要求做了規(guī)定，見(jiàn)前表。細(xì)度是評(píng)定粉煤灰品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。實(shí)心微珠含量較多，未燃盡碳及不規(guī)則的粗粒含量較少時(shí)，粉煤灰較細(xì)、品質(zhì)較好。磨細(xì)灰的顆粒雖然較細(xì)，但在加工過(guò)程中，多孔玻璃體及空心微珠可能被破碎，故在其中含有較多的非球形顆粒，質(zhì)量雖然較磨細(xì)前有所提高，但比靜電收塵的含大量實(shí)心微珠的細(xì)灰為差。風(fēng)選灰不破壞粉煤灰的顆粒形貌，其質(zhì)量較磨細(xì)灰好。2023/7/1347粉煤灰質(zhì)量指標(biāo)與等級(jí)《用于水泥和砼中的粉煤灰》（GB/T1596-2005）

質(zhì)量指標(biāo)等級(jí)ⅠⅡⅢ細(xì)度（45μm方孔篩篩余）/%,≤12.025.045.0需水量比/%，≤95105115燒失量/%，≤5.08.015.0三氧化硫/%，≤333含水率/%，≤11不規(guī)定注：1.代替細(xì)骨料或主要用以改善和易性的粉煤灰不受此限制。2.優(yōu)質(zhì)粉煤灰的需水量比（指水泥︰粉煤灰＝70︰30的水泥粉煤灰砂漿與純水泥砂漿在達(dá)到相同流動(dòng)度時(shí)需水量之比）小于100%。2023/7/1348粉煤灰質(zhì)量等級(jí)與性能據(jù)《粉煤灰砼應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBJ146-90）：Ⅰ級(jí)灰品質(zhì)最好，一般為靜電收塵灰，其火山灰效應(yīng)及減水作用均較突出。摻粉煤灰后砼的強(qiáng)度及變形性能較好，可用于各種砼結(jié)構(gòu)、鋼筋砼結(jié)構(gòu)和跨度小于6m的預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)。Ⅱ級(jí)灰主要用于鋼筋砼及大于等于C30的無(wú)筋砼。我國(guó)大多數(shù)火力發(fā)電廠的機(jī)械收塵灰達(dá)到Ⅱ級(jí)灰的標(biāo)準(zhǔn)。Ⅲ級(jí)灰主要用于C30以下的中低強(qiáng)度等級(jí)的無(wú)筋砼或以代砂方式摻用的砼工程。大多數(shù)機(jī)械收塵的原狀灰、含碳量較高或粗顆粒含量較多的粉煤灰屬Ⅲ級(jí)灰。2023/7/1349粉煤灰對(duì)砼性能的影響

對(duì)新拌砼性能的影響

和易性

——Ⅰ級(jí)粉煤灰，品質(zhì)優(yōu)良，需水量小，可提高砼的流動(dòng)性；當(dāng)流動(dòng)性不變時(shí)，可以減水。但Ⅱ、Ⅲ級(jí)粉煤灰，則使砼的流動(dòng)性下降。

——原狀灰增大砼的泌水性，但磨細(xì)粉煤灰減小其泌水性。因?yàn)槟ゼ?xì)灰可以補(bǔ)充砼的細(xì)料部分，有利于保水性和堵截泌水通道。另外，粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)，能使新拌砼的內(nèi)摩擦角和黏滯系數(shù)減小，砼可泵性得到改善，且容易振搗密實(shí)。凝結(jié)性能通常加入粉煤灰延長(zhǎng)砼的膠凝時(shí)間，但高鈣粉煤灰有時(shí)提前，其影響程度與粉煤灰摻量、細(xì)度及化學(xué)組成有很大關(guān)系。粉煤灰燒失量增大，也會(huì)延長(zhǎng)其凝結(jié)時(shí)間。粉煤灰砼的凝結(jié)時(shí)間與溫度關(guān)系很大：當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度較高時(shí)，粉煤灰的摻入對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響不大，但養(yǎng)護(hù)溫度較低時(shí)，則影響明顯。對(duì)外加劑的影響大部分粉煤灰都有利于砼減水劑的減水作用，通常分散粉煤灰顆粒所需減水劑的量要小于分散水泥顆粒所需的量，也即減水劑對(duì)于分散粉煤灰顆粒比分散水泥顆粒更有效。但一般來(lái)說(shuō)，在粉煤灰燒失量比較大的情況下，由于碳的吸附作用，粉煤灰對(duì)砼引氣劑的作用可能產(chǎn)生不利影響，必須加大引氣劑用量才能達(dá)到一定含氣量。2023/7/1350對(duì)硬化砼力學(xué)性能的影響

隨粉煤灰摻量增加，粉煤灰砼早強(qiáng)降低較明顯，尤其是3d強(qiáng)度。因?yàn)椴糠炙酁榉勖夯宜〈?，早期硬化砼中水化產(chǎn)物數(shù)量減少，且粉煤灰顆粒活性組分的化學(xué)反應(yīng)緩慢，顆粒周?chē)乃娱g隙尚未填實(shí)，較大的空隙和敞開(kāi)的毛細(xì)孔較多，結(jié)構(gòu)密實(shí)性較差等。這個(gè)缺點(diǎn)會(huì)引起拆模時(shí)間延遲、工期延長(zhǎng)、影響施工進(jìn)度等。但工程實(shí)測(cè)結(jié)果表明，斷面尺寸較大的粉煤灰砼由于水泥水化熱使砼內(nèi)部溫度升高，加速了粉煤灰活性效應(yīng)的發(fā)揮，早期強(qiáng)度并不低于基準(zhǔn)砼。由于溫度較高，有利于砼活性的發(fā)揮。因此，南方地區(qū)熱天高溫多雨，對(duì)粉煤灰的推廣應(yīng)用十分有利；而北方地區(qū)寒冷，推廣預(yù)制粉煤灰砼構(gòu)件，宜采用養(yǎng)護(hù)溫度為70℃范圍的蒸汽養(yǎng)護(hù)。2023/7/1351后強(qiáng)可以提高。在較小摻量下，56d后粉煤灰砼強(qiáng)度接近普通砼，90-180d齡期的強(qiáng)度與28d齡期強(qiáng)度相比可增長(zhǎng)20%-30%，180-360d齡期的強(qiáng)度可能增長(zhǎng)50%-70%。如按后期強(qiáng)度設(shè)計(jì)，粉煤灰砼可節(jié)約20-50kg/m3的水泥用量。與同等強(qiáng)度普通水泥基準(zhǔn)砼相比，粉煤灰砼的28d齡期抗拉、抗彎強(qiáng)度略高，抗剪強(qiáng)度相近；后期的抗拉、抗彎強(qiáng)度還可能高一些。與鋼筋間的黏結(jié)強(qiáng)度基本上與等強(qiáng)度的基準(zhǔn)砼相同。粉煤灰砼彈性模量與抗壓強(qiáng)度成正比關(guān)系。粉煤灰砼的徐變特性與普通砼沒(méi)有多大差異。2023/7/1352養(yǎng)護(hù)溫度和濕度對(duì)粉煤灰砼強(qiáng)度有較大影響。對(duì)于溫度而言，粉煤灰砼比普通砼更為敏感，保持較高的溫度將有利于粉煤灰砼的強(qiáng)度等性能的發(fā)展。Hwary等研究結(jié)果顯示，養(yǎng)護(hù)溫度從23℃提高到50℃時(shí)，粉煤灰摻量為40%和60%的砂漿抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)非常明顯，而純水泥砂漿則增長(zhǎng)不顯著。但溫度不宜太高，否則影響后期強(qiáng)度。

Thomas等研究養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)粉煤灰砼性能影響的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨粉煤灰摻量增加，空氣中養(yǎng)護(hù)的試件強(qiáng)度發(fā)展緩慢，而水中養(yǎng)護(hù)試件，強(qiáng)度發(fā)展與普通砼接近。2023/7/1353對(duì)砼耐久性的影響

抗?jié)B性粉煤灰砼的抗?jié)B性要高于普通砼，因?yàn)榉勖夯腋纳屏隧诺目捉Y(jié)構(gòu)。隨粉煤灰摻量增加，粉煤灰砼的抗?jié)B性提高；隨粉煤灰細(xì)度增加，砼的滲透性降低迅速。溫度的提高有利于粉煤灰的水化，因此隨養(yǎng)護(hù)溫度的提高，粉煤灰砼的抗?jié)B性明顯提高，而養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)改善普通砼的抗?jié)B性影響則不明顯。潮濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，越利于抗?jié)B性的提高，在這一點(diǎn)上，粉煤灰砼與普通砼是類(lèi)似的。2023/7/1354抗凍性對(duì)粉煤灰砼抗凍性有爭(zhēng)議，但一般認(rèn)為，如果在同等強(qiáng)度、引氣量情況下，粉煤灰砼和普通砼的抗凍融能力沒(méi)有明顯差異。要注意以下幾點(diǎn)：①粉煤灰的燒失量不宜過(guò)高，因?yàn)榉勖夯抑械奈慈继挤塾休^強(qiáng)的吸附能力，將影響砼引氣劑的效果。②為了保證砼的含氣量，通常應(yīng)適當(dāng)增加引氣劑用量。③粉煤灰的火山灰反應(yīng)速度比較慢，粉煤灰砼早期強(qiáng)度發(fā)展比較慢，因此粉煤灰砼早期抗凍性能相比普通砼較差，當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)，要更加注意早期的養(yǎng)護(hù)。④潮濕養(yǎng)護(hù)有利于砼的抗凍性。2023/7/1355抗碳化性能粉煤灰砼中的火山灰反應(yīng)消耗大量Ca(OH)2，其堿度較之普通砼低，這對(duì)粉煤灰砼抗碳酸鹽、海水等侵蝕有利，但對(duì)抗碳化性能不利。粉煤砼的碳化深度大于普通砼；隨粉煤灰摻量增加，碳化速度也增加。

粉煤灰砼抗碳化性能相對(duì)砼較差，這是粉煤灰砼的主要缺點(diǎn)。可采用如下措施克服：①提高粉煤灰砼的堿儲(chǔ)備。以摻加石灰最為經(jīng)濟(jì)，但應(yīng)不明顯影響粉煤灰的水化和砼的強(qiáng)度發(fā)展。②磨細(xì)粉煤灰。磨細(xì)粉煤灰可降低需水量，繼而降低粉煤灰砼的水灰比，使粉煤灰砼中的連通孔隙封閉的時(shí)間提前，從而達(dá)到提高粉煤灰砼的抗碳化性能的目的。③提高砼的抗?jié)B性，降低或阻止CO2、水分等介質(zhì)在砼中由表及里擴(kuò)散及滲透過(guò)程，能更有效提高砼的抗碳化性能。2023/7/1356抗硫酸鹽腐蝕性能粉煤灰砼相對(duì)普通砼具有優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕的能力，這既是其物理性質(zhì)的表現(xiàn)也是化學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)：①由于粉煤灰的火山灰化學(xué)反應(yīng)，減少了砼中的Ca(OH)2以及游離氧化鈣的量。②由于粉煤灰降低砼的需水量，改善砼的工作性能，同時(shí)二次水化產(chǎn)物填充砼中粗大毛細(xì)孔而提高砼的抗?jié)B性。鋼筋耐銹蝕性能粉煤灰砼的堿度下降，因此其抗鋼筋銹蝕性能相對(duì)普通砼也有下降的趨勢(shì)。但從目前有限的研究結(jié)果來(lái)看，還未發(fā)現(xiàn)粉煤灰砼的抗鋼筋銹蝕性能明顯低于普通砼，甚至有些研究結(jié)果還顯示，粉煤灰的加入還改善了砼的抗鋼筋銹蝕性能。這可能與粉煤灰提高砼的抗?jié)B性及電阻率有關(guān)。2023/7/1357抑制堿-骨料反應(yīng)的性能粉煤灰抑制堿-集料反應(yīng)的因素中，粉煤灰摻量對(duì)AAR膨脹的影響最大，即使所用的膠凝材料中水泥堿、粉煤灰堿、粉煤灰CaO及外加堿含量均較高，只要粉煤灰摻量足夠大，總能將AAR膨脹控制在0.1%以內(nèi)。低鈣粉煤灰可有效抑制砼堿-集料反應(yīng)。但粉煤灰的品質(zhì)對(duì)抑制作用的影響較大：粉煤灰堿含量越多，對(duì)抑制作用越不利，而氧化硅含量越多，則越有利；粉煤灰中的晶體成分對(duì)抑制堿集料反應(yīng)有利，而無(wú)定形礦物則不利，特別是無(wú)定形的氧化鋁影響非常明顯；粉煤灰的物理性質(zhì)，除粉煤灰細(xì)度外，對(duì)抑制堿-集料反應(yīng)的影響不太明顯，粉煤灰越細(xì)，越有利于抑制堿-集料反應(yīng)。2023/7/1358粉煤灰的表面吸附效應(yīng)以及二次水化反應(yīng)，可與堿作用消耗砼孔溶液內(nèi)部的堿，且研究表明粉煤灰能降低C-S-H相的C/S比，說(shuō)明粉煤灰能提高C-S-H凝膠對(duì)Na+、K+等堿金屬離子的固結(jié)能力，從而使砼孔溶液中Na+等離子減少，進(jìn)而抑制堿集料反應(yīng)；粉煤灰雖有一定的堿，但與水泥中的堿不同，不會(huì)全部從粉煤灰中釋放出來(lái)，有資料表明粉煤灰中有效堿只能以其總量的1/6計(jì)，因此，粉煤灰降低了砼體系內(nèi)膠凝材料的有效堿度，從而抑制堿集料的反應(yīng)；粉煤灰的二次水化、微集料填充效應(yīng)可大大降低砼的孔隙率，提高砼的抗?jié)B能力，從而阻斷了外界水對(duì)堿-集料反應(yīng)的參與，也在一定程度上抑制了砼的堿-集料反應(yīng)。粉煤灰對(duì)堿-骨料反應(yīng)的抑制機(jī)理2023/7/1359耐磨蝕性能粉煤灰的火山灰反應(yīng)速度較慢，故粉煤灰砼早期耐磨蝕性能因抗壓強(qiáng)度的降低可能受一定的影響。但對(duì)于等強(qiáng)度的粉煤灰砼，其耐磨蝕性能與普通砼相比至少?zèng)]有明顯差異；如果考慮到Ca(OH)2的淋濾性能，粉煤灰砼中因?yàn)镃a(OH)2的減少，粉煤灰用于水工結(jié)構(gòu)是有利于耐磨蝕性能提高的。對(duì)收縮和抗裂性的影響對(duì)于質(zhì)量等級(jí)高的優(yōu)質(zhì)灰，由于能改善砼的工作性，在同樣的工作性能的情況下，隨粉煤灰摻量增加，粉煤砼的收縮明顯降低。當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)30%以上，不但早強(qiáng)降低較多，后強(qiáng)也有降低，但砼折壓比都隨粉煤灰摻量的增加而增加。折壓比值在一定程度上可以反映砼脆性的高低。折壓比越大，砼脆性越小，抗裂能力越大。

2023/7/1360不同摻量粉煤灰對(duì)水泥砂漿水化溫度的影響粉煤灰減少了砼中的水化熱源。1m3砼中每100kgP·Ⅰ水泥可使砼內(nèi)部升溫8-12℃，粉煤灰反應(yīng)的發(fā)熱量只有P·Ⅰ水泥的17%，使頂峰溫度顯著降低，并使達(dá)到溫峰的時(shí)間向后推遲，且隨粉煤灰摻量的增加降溫效果提高。2023/7/1361

由于粉煤灰能極大地降低砼的水化熱和水化溫升并推遲溫峰出現(xiàn)時(shí)間，故可有效抑制溫度裂縫的產(chǎn)生。在大體積砼施工過(guò)程中常摻入粉煤灰，以在水泥水化初期大幅度降低砼的最大溫升，減小砼內(nèi)外或不同澆筑層的溫差，從而減少早期熱裂縫的出現(xiàn)幾率。特別是在相同施工條件、內(nèi)外溫差、配筋率的條件下，摻粉煤灰后砼具有較小的彈性模量，使得最終由溫度引起的約束應(yīng)力減小，這對(duì)限制砼的溫度裂縫出現(xiàn)是有利的。因此，在水庫(kù)大壩、堤壩、橋墩和基礎(chǔ)大體積砼中均大量使用粉煤灰。特別是水庫(kù)大壩中粉煤灰的使用量有時(shí)超過(guò)水泥用量。

2023/7/1362

對(duì)大體積砼，摻加粉煤灰取代部分水泥能使溫度降低15%-35%。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，普通砼內(nèi)部頂峰溫度一般在澆筑3-4d之后出現(xiàn)，摻粉煤灰后可推遲到4-5d。大體積砼中心溫度最高，據(jù)測(cè)定，使用粉煤灰可降低頂峰溫度5-10℃。摻加低鈣粉煤灰明顯降低溫升，但是摻加高鈣粉煤灰則效果不穩(wěn)定，有時(shí)幾乎與基準(zhǔn)砼相同。

2023/7/1363粉煤灰的摻用效果粉煤灰摻合料可改善砼拌合物的和易性、可泵性和抹面性；能降低砼凝結(jié)硬化過(guò)程的水化熱、降低砼水化溫升，可用于大體積砼，海洋及地下工程。摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰，在水化后期可逐漸提高砼的抗?jié)B性，抗氯離子滲透性，抗硫酸鹽性、抑制堿骨料反應(yīng)等耐久性能。目前，粉煤灰砼已被廣泛應(yīng)用于土木、水利建筑工程，以及預(yù)制砼制品和構(gòu)件等方面。如大壩、道路、隧道、港灣，工業(yè)與民用建筑的粱、板、柱、地面、基礎(chǔ)、下水道、鋼筋砼預(yù)制樁、管等。2023/7/1364粉煤灰在砼中的摻量與作用錢(qián)覺(jué)時(shí)對(duì)粉煤灰摻量及其影響的分析如下:＜20%，主要用于改善砼性能。如高性能砼的摻量通常在15％左右，可顯著改善砼性能，而不會(huì)引起砼早強(qiáng)過(guò)低等不足，對(duì)砼成本有所降低，但幅度小。20%-40%范圍內(nèi)，既可改善砼的絕大部分性能，也可降低砼成本約在15%左右，但在改善性能的同時(shí)，砼某些性能也有所降低，如砼早強(qiáng)發(fā)展緩慢，抗碳化性能、抗凍性有所降低。通常所指的粉煤灰砼，其粉煤灰摻量大多在這一范圍內(nèi)。＞40%，主要是降低砼成本，在滿足砼一些性能要求的前提下，成本可降低30%左右，常用于一些特殊工程，如碾壓砼，粉煤灰摻量可達(dá)到70%-80%，用于水庫(kù)和道路建設(shè)。2023/7/1365粉煤灰的摻用方式

粉煤灰在砼中的摻用效果，與其摻入方式有關(guān)。摻用時(shí)，常與減水劑或引氣劑等同時(shí)摻用——雙摻技術(shù)。摻入減水劑用以克服某些粉煤灰增大砼需水量的缺點(diǎn)；摻用引氣劑可解決粉煤灰砼抗凍性較低的問(wèn)題；在低溫條件下施工時(shí)，宜摻入早強(qiáng)劑或防凍劑。摻入后，由于粉煤灰的水化消耗了Ca(OH)2，使砼抗碳化性能降低，減弱了對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。為此，也應(yīng)采取雙摻措施，或在砼中摻入減水劑。為了保證砼結(jié)構(gòu)的耐久性，《粉煤灰砼應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBJ146-90）中規(guī)定了粉煤灰取代水泥量（以質(zhì)量計(jì)）的最大限值。2023/7/13662023/7/1367等量取代水泥法當(dāng)摻入粉煤灰等量取代水泥時(shí)，稱為等量取代法。此時(shí)，由于粉煤灰活性較低，砼早期及28d齡期強(qiáng)度降低，但28d后的長(zhǎng)期強(qiáng)度可趕上，甚至超過(guò)不摻粉煤灰的基準(zhǔn)砼。因?yàn)轫艃?nèi)水泥用量減少，可節(jié)約水泥并減少砼發(fā)熱量，同時(shí)改善砼和易性，提高砼抗?jié)B性，故常用于大體積砼。2023/7/1368粉煤灰代砂法（外加法）當(dāng)粉煤灰摻入時(shí)保持砼水泥用量不變，則砼粘聚性及保水性將顯著優(yōu)于基準(zhǔn)砼，此時(shí)，可以等體積減少砼中砂的用量，稱為粉煤灰代砂。由于粉煤灰具有火山灰活性，砼強(qiáng)度將高于基準(zhǔn)砼，和易性、抗?jié)B性等將有顯著改善。如主要摻用目的是為了改善砼和易性時(shí)，常采用此法。2023/7/1369超量取代水泥法粉煤灰的摻入量大于所取代的水泥量，多出的粉煤灰取代同體積的砂，砼內(nèi)用水量及石子用量基本不變。取代砂子的粉煤灰所獲得的強(qiáng)度增加效應(yīng)，可以補(bǔ)償粉煤灰取代水泥所降低的早期強(qiáng)度，從而保持粉煤灰摻入前后的砼強(qiáng)度效應(yīng)。同時(shí)砼中膠凝材料數(shù)量增多會(huì)影響拌合物的和易性，但可以由粉煤灰摻入后使拌合物的和易性改善的效應(yīng)來(lái)彌補(bǔ)。因此，超量取代法是一種既能保持砼28d強(qiáng)度及和易性不變，又能節(jié)約水泥用量的常用辦法。2023/7/1370是鋼廠和鐵合金廠采用電弧爐冶煉硅鋼或硅鐵合金時(shí)，從排放的煙氣中收集到的煙塵。國(guó)外1950年開(kāi)始對(duì)硅灰進(jìn)行研究，1970年后開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用，挪威在北海油田鉆井平臺(tái)中用5%-10%的硅粉提高其耐久性；瑞典、美國(guó)、加拿大、日本將硅灰用在港口、大壩、高層建筑等領(lǐng)域，來(lái)提高砼粘聚性、強(qiáng)度、耐久性。我國(guó)最早用在四川魚(yú)子溪二級(jí)電站的廠房，硅灰摻量3%-7%，提高了砼的早期強(qiáng)度。隨后在水利水電方面得到較深入的使用研究。目前，硅灰已做為一種高性能礦物外加劑重點(diǎn)用在高強(qiáng)高性能砼中。我國(guó)由于硅粉使用用戶增加，硅粉的價(jià)格直線上升，已漲到水泥價(jià)格的3-10倍。硅灰（硅粉，代號(hào)SF）2023/7/1371硅灰的生產(chǎn)、化學(xué)組成及特性

硅灰的生成及回收硅金屬?gòu)S在冶煉硅金屬時(shí)，將高純度的石英、焦碳投到電弧爐內(nèi)，在2000℃高溫下，石英被還原成硅（Si），即成為硅金屬。約有10%-15%的硅化為蒸氣，進(jìn)入煙道。硅蒸氣在煙道內(nèi)隨氣流上升，遇氧結(jié)合成一氧化硅（SiO），SiO逸出爐外時(shí)，遇冷空氣，空氣中有足夠的氧（O2）與之結(jié)合成為二氧化硅（SiO2），以粉塵的形式從煙囪排入大氣中，這種二氧化硅的煙灰，就是“硅粉”。生成硅粉的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為SiO2（石英）＋C→Si↓＋CO2↑2Si＋O2→2SiO↑2SiO＋O2→2SiO2（硅粉）↑2023/7/1372硅金屬?gòu)S一般都裝有回收裝置，否則硅灰排入大氣對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重。由硅金屬?gòu)S和75硅鐵廠回收的硅粉，SiO2含量在85%以上，在砼中使用效果顯著。其它錳硅、硅鉻鐵及50硅鐵回收的硅粉，SiO2含量較低，摻入砼效果不明顯，使用應(yīng)慎重。一般生產(chǎn)1t硅金屬，約有0.6t硅粉，生產(chǎn)1t75硅鐵的有0.2t-0.45t硅粉。2023/7/1373硅灰的化學(xué)成分硅粉的主要化學(xué)成分是SiO2

，一般占85%-96%，絕大部分是無(wú)定形氧化硅，具有很高的火山灰活性。其它成分含量都較少，氧化鐵、氧化鈣、氧化硫的含量隨礦石的成分不同稍有變化，一般不超過(guò)1%，燒失量約為1.5%-3%。硅粉的化學(xué)成分與普通硅酸鹽水泥，高爐礦渣的化學(xué)成分的比較見(jiàn)前圖。2023/7/1374硅灰的物理性質(zhì)硅灰一般為青灰色或銀白色，若在原料中加木屑以增加碳元素，則為灰色。硅粉的堆積密度很低，一般為200～300kg/m3；密度為2100～2300kg/m3；空隙率85%以上。硅灰為極細(xì)的球形顆粒，用顯微鏡觀察，主要由＜0.5μm的顆粒組成，平均粒徑為0.1-0.3μm，約為水泥顆粒粒徑的1/50～1/100。但硅粉的比表面積不是水泥的100倍，而是10～20倍左右。這是因?yàn)槎咝螤畈煌?，硅粉為圓形，表面光滑，如后圖所示。而水泥為非規(guī)則形狀，表面粗糙，表面積大。硅粉的比表面積可用透氣法（blaine）和氮吸附法（BET）測(cè)定。二者結(jié)果相差很大，如美國(guó)外加劑與化學(xué)協(xié)會(huì)用透氣法測(cè)硅粉的比表面積為3400-7700m2/kg，平均5500m2/kg，而用氮吸附法，一般為18000-22000m2/kg。2023/7/1375

硅灰顆粒掃描電鏡照片(放大20000倍)2023/7/1376硅粉的加工處理和運(yùn)輸

硅粉的堆積密度小，相對(duì)體積大，運(yùn)輸不便，為此：有些廠家將硅粉壓密成型，以便運(yùn)輸，但需要一套壓密設(shè)備和工藝，成本高，且實(shí)用效果較差。有些廠家將硅粉加水50%制成漿液，并加入漿體穩(wěn)定劑，硅粉使用效果比密實(shí)硅粉好，體積小，也減少環(huán)境污染，但多運(yùn)50%的水，且要增加容器費(fèi)用，可用于短途運(yùn)輸。常用的方法為袋裝運(yùn)輸，將硅粉裝入有塑料薄膜的編織袋內(nèi)，一般每袋10kg左右，硅粉為干粉狀，體積大，對(duì)環(huán)境有污染，但使用效果好，成本低，是目前世界上廣泛使用的處理和運(yùn)輸方法。2023/7/1377

硅灰對(duì)砼性能的影響

對(duì)新拌砼性能的影響和易性硅粉顆粒極小，比表面積很大，需水量大，摻入后能使砼拌合物泌水降低，抗離析性能提高，其粘聚性和保水性得以改善，但坍落度明顯下降，流動(dòng)性嚴(yán)重降低，同時(shí)粘性也隨之增大，對(duì)施工，特別是給泵送施工帶來(lái)不便。摻量越多，降低越明顯。如采用增加用水量來(lái)保持相同坍落度，就會(huì)使強(qiáng)度降低，一般不可取。最好控制硅粉摻量不大于15%，且配以高效減水劑，這樣既可保證砼和易性，同時(shí)水灰比不增加，強(qiáng)度能提高。含氣量硅粉的大比表面積，對(duì)引氣劑有很大的吸附作用，使砼含氣量降低，對(duì)抗凍不利。為保持砼含氣量與基準(zhǔn)砼的相同，需增加引氣劑用量。2023/7/1378硅粉對(duì)砼力學(xué)性能的影響隨硅粉摻量的增加，可大幅度提高砼早期和后期強(qiáng)度，其作用機(jī)理類(lèi)似于礦粉。對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)方面，火山灰效應(yīng)提高；微粒效應(yīng)提高，需水量對(duì)強(qiáng)度的影響下降。各種因素對(duì)強(qiáng)度的綜合貢獻(xiàn)可以提高砼的強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，摻入5%-20%的硅灰可使砼強(qiáng)度提高20%-80%，甚至更高。目前在國(guó)內(nèi)外，常利用硅灰配制100MPa以上的特高強(qiáng)砼。高摻量嚴(yán)重影響砼的施工性，特別是當(dāng)摻量＞10%時(shí)，嚴(yán)重增大砼自收縮、早期收縮和總收縮的趨勢(shì)，砼脆性增大、抗裂性下降。所以，硅灰的合理?yè)搅繛樗嘤昧康?%-8%，此時(shí)，砼強(qiáng)度提高20%以上，對(duì)其它性能影響相對(duì)較小。摻硅灰砼比普通砼彈性模量低。水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，摻與不摻硅灰的砼徐變相差不大，但空氣中養(yǎng)護(hù)相差較大。2023/7/1379硅粉對(duì)砼耐久性的影響抗?jié)B性硅灰的摻入顯著降低砼的6h庫(kù)侖電量，砼抗氯離子滲透性能明顯提高?？箖鲂援?dāng)硅粉摻量少時(shí)，硅粉砼的抗凍性與普通砼基本相同，當(dāng)硅粉摻量超過(guò)15%時(shí)，硅粉砼的抗凍性較差?？笴l-滲透性

Cl-滲透對(duì)鋼筋銹蝕的影響很大。砼中摻入SF后，Cl-滲透大大降低，摻入10%硅粉后，Cl-滲透深度可以降低一半?？逛摻钿P蝕性

硅粉摻入后會(huì)使砼的Ca(OH)2濃度降低，pH值下降，但據(jù)研究，硅粉摻量為10%-20%時(shí)，砼中Ca(OH)2濃度仍處于飽和狀態(tài)，pH值仍能保持在12.5以上，另有關(guān)試驗(yàn)表明，摻入SF能明顯地提高砼的電阻率，因此能降低腐蝕速度，尤其是水泥用量高的砼，摻入SF能明顯地改善電阻率。2023/7/1380抗鹽類(lèi)腐蝕性

抵抗硫酸鹽腐蝕的能力較強(qiáng)?？箾_耐磨性當(dāng)膠結(jié)材料用量在225-420kg/m3變化，硅粉摻量15%不變時(shí)，硅粉砼抗沖磨強(qiáng)度均比不摻硅粉的砼高（抗沖磨強(qiáng)度用每m2面積上磨掉每kg砼所需時(shí)間來(lái)表示）。抑制堿骨料反應(yīng)

抑制堿-骨料反應(yīng)的性能優(yōu)于礦粉，結(jié)果表明，摻硅粉愈多，抑制效果愈好。摻15%硅灰，即可抑制蛋白石膨脹不超過(guò)1000×10-6。2023/7/1381硅粉對(duì)砼干縮的影響干縮隨硅粉摻量的增加而增大。當(dāng)摻量＜10%時(shí)，硅粉砼的干縮與其基準(zhǔn)砼沒(méi)有區(qū)別，當(dāng)硅灰摻量＞25%時(shí)，干縮偏大。干縮與養(yǎng)護(hù)條件關(guān)系很大。成型后放置于干燥室，養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，則硅粉砼干縮偏大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，則硅粉砼干縮與普通砼相同或略小。2023/7/1382硅灰砼的應(yīng)用

硅粉砼的使用范圍用于提高砼的早期強(qiáng)度，可提前拆模，加快施工進(jìn)度。用于制造高強(qiáng)及超高強(qiáng)砼，可減小自重及截面尺寸。抗沖耐磨能力強(qiáng)，用于水工砼中；抗?jié)B性、抗腐蝕能力強(qiáng)，適宜配制抗?jié)B性要求高的、抗腐蝕的砼。水化熱也降低，因此在近海工程、橋梁工程、港工砼結(jié)構(gòu)中普遍使用。砼中堿度低，可以抑制堿-骨料反應(yīng)。硅粉砼粘聚性好，不易分層離析，用于噴射砼，可以減少回彈量；用于鋼纖維砼，可避免纖維的沉淀。硅灰價(jià)高，需水量大，可以較小摻量與粉煤灰或礦粉等其它礦物外加劑復(fù)合摻用，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，而很少單獨(dú)使用。以充分利用硅灰的增強(qiáng)特性和高抗腐蝕性能，同時(shí)利用粉煤灰或礦粉彌補(bǔ)硅灰對(duì)砼收縮和抗裂性帶來(lái)的不利影響。2023/7/1383使用注意問(wèn)題一般要與減水劑，尤其是高效減水劑聯(lián)合使用，這樣可以不增加用